Bảy yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy của máy đo chân không

Về mặt kỹ thuật và khoa học, rất khó để nhấn mạnh quá mức tầm quan trọng của phép đo.

Chúng chính là bản chất của hai môn học này,mà chúng ta sử dụng để giải thích những điều không thể giải thích bằng phương trình, bảng, đồ thị và số liệu. Đổi lại, điều này cho phép chúng ta so sánh, tương phản, lặp lại và xác định sự hỗn loạn rõ ràng xác định thế giới của chúng ta.

Tuy nhiên, trong việc đánh giá tầm quan trọng của phép đo, chúng ta cũng phải chấp nhận rằng độ chính xác phải đi đôi với khả năng so sánh, tương phản, lặp lại và xác định, và tương tự như vậy, chúng ta phải thừa nhận rằng khi sử dụng máy đo chân không, chúng nhạy cảm với một loạt các ảnh hưởng bên ngoài mà các kỹ sư chân không cần làm việc với và xung quanh. (Lưu ý cho mục đích của blog này: độ chính xác, độ nhạy và khả năng chống hư hỏng đồng hồ đo, tất cả đều là một phần của cùng Sơ đồ Venn "chồng chéo").

Có 7 yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy, độ chính xác và khả năng chống hư hỏng của máy đo chân không:

Theo thứ tự độ nhạy, có hai loại áp kế chính:

• Ion hóa điện
• Nhiệt độ.

Cả hai loại này đều được gọi là "gián tiếp", nhưng chúng khác nhau về cách đo áp suất liên quan đến các phân tử khí còn lại.

• Máy đo ion hóa thường được sử dụng để đo áp suất thấp, nơi độ chính xác cao không quan trọng. Chúng hoạt động bằng cách ion hóa các phân tử khí, sau đó được tăng tốc đến một máy dò, đo bất kỳ dòng điện nào do tác động phân tử gây ra.
• Có một số loại máy đo nhiệt, nhưng mỗi loại đều dựa trên "vận chuyển" nhiệt, với máy đo Pirani là loại phổ biến nhất. Đồng hồ đo nhiệt hoạt động theo nguyên tắc rằng khi các phân tử khí tiếp xúc với bề mặt nóng, năng lượng sẽ được chuyển từ bề mặt sang khí. Tốc độ mất năng lượng sẽ phụ thuộc vào số lượng va chạm với các phân tử khí, và do đó áp suất của khí.

Máy đo chân không thường đến từ các nhà sản xuất hiệu chuẩn nitơ (nghĩa là khi đo nitơ, có hệ số hiệu chỉnh là 1).

Nếu khí khác với nitơ, thì áp suất thực tế P_i được biểu thị như sau:
P_i = ((S_N2÷S_i) x P_N2)

Trong đó:

• S_i và S_N2 là độ nhạy tương đối của máy đo đối với khí i (với S_N2 của nitơ bằng 1,0 theo định nghĩa), 
• P_N2 là áp suất được chỉ định (đo được).

Nếu khí được đo chứa hỗn hợp khí, thì định luật áp suất toàn phần hoặc một phần của Dalton có thể được sử dụng để "mở rộng" hiệu chỉnh này:

trong đó r_i là tỷ lệ tương đối (áp suất một phần) của các loại khí i so với nitơ, vì vậy r_i = P_i ÷P_N2.

Để hiệu chuẩn các máy đo ion hóa, trong đó dòng điện thu và phát xạ được biết, phương trình sau đây được áp dụng:

P = [I_c ÷ (S_g x I_e)]

Trong đó:

• I_c là dòng điện bộ thu ion tính bằng ampe, 
• I_e là dòng phát xạ electron tính bằng ampe, 
• và S_g là hệ số độ nhạy cho khí g theo đơn vị mbar ^-1, và trong đó
  • S_g = S_N2 x R_G 
  • và trong đó R_G là hệ số độ nhạy điều chỉnh khí ( như minh họa trong đồ thị bên dưới ).

Việc lựa chọn máy đo chân không phụ thuộc vào sự hiểu biết về các nguyên tắc hoạt động của máy đo, và phạm vi áp suất mà máy đo có thể đo, cũng như độ chính xác của máy đo trong phạm vi yêu cầu.

Những yếu tố này đã được xác định bằng các thí nghiệm và được xác minh bằng kinh nghiệm.

• Đối với dải chân không thấp (thô) từ 10 mbar đến khí quyển, ống Bourdon, ống thổi, máy đo biến dạng chủ động và cảm biến điện dung phù hợp. 
• Giữa 10¹ và 10 ^-3, áp kế điện dung, cặp nhiệt điện hoặc máy đo loại Pirani phù hợp. 
• Giữa 10 ^-3 và 10 ^-9 mbar, máy đo catot lạnh và máy đo catot nóng Bayard-Alpert phù hợp (nhưng cả hai đều yêu cầu "làm sạch" thường xuyên các phân tử/điện tử đã qua sử dụng và sau đó hiệu chuẩn lại).

Các phân tử có khối lượng cao hơn có xu hướng yêu cầu các hệ số điều chỉnh lớn hơn.

Trong trường hợp máy đo truyền nhiệt, điều này có thể được quy cho các phân tử lớn hơn thường có độ dẫn điện (nhiệt) cao hơn. Có một số yếu tố góp phần vào độ dẫn điện của một loại khí cụ thể, bao gồm hiệu ứng tương tác, nhiệt cụ thể và hệ số điều hòa.

Vấn đề thứ hai về nhiệt độ là một vấn đề chung hơn: mặc dù máy đo áp suất được thiết kế để sử dụng ở các nhiệt độ khác nhau, nhưng chúng có thể cho kết quả sai nếu nhiệt độ quá cao.

Nếu điều kiện môi trường xung quanh quá khắc nghiệt (tức là quá nóng hoặc quá lạnh), thì có thể xảy ra sự mất "khép kín" có thể khiến các bộ phận bị ăn mòn hoặc hỏng hóc. Hơn nữa, nếu áp kế được sử dụng xung quanh nước, nó có thể nổ nếu tiếp xúc với sương/băng hoặc trở nên sương do ngưng tụ.

Độ chính xác của máy đo chân không sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng nói chung, máy đo sẽ đến từ nhà sản xuất chỉ với hiệu chuẩn "thô" (không áp dụng hệ số hiệu chỉnh) và có thể có độ không đảm bảo đo từ 20 đến 50% trong phạm vi quy định.

Sử dụng hệ số điều chỉnh khí không đổi có thể cải thiện điều này từ 10 đến 20%.

Tuy nhiên, khi yêu cầu độ chính xác cao hơn, máy đo nên được hiệu chuẩn trên toàn bộ phạm vi áp suất.
Đối với máy đo chất lượng cao, được hiệu chuẩn riêng cho mỗi loại khí trong toàn bộ phạm vi so với tiêu chuẩn chính, độ chính xác có thể được cải thiện từ 2 đến 5%.

Đỉnh quá áp thường xuyên (và thường lặp đi lặp lại) có thể gây ra các vấn đề về độ chính xác và dẫn đến hư hỏng máy đo.

Rung động có tác động rất khó đánh giá đến chỉ số của máy đo áp suất.

Trên thực tế, rung động (do động cơ, máy móc nặng, bơm và các thiết bị xoay khác) có thể dẫn đến hao mòn quá mức trên các đồng hồ đo áp suất, dẫn đến chỉ số không chính xác, cũng như thường xuyên gây hư hỏng cơ chế con trỏ vì chúng liên tục bị di chuyển ra khỏi mức không. Ngay cả khi hoạt động đúng cách, rung động có thể khiến việc đọc chính xác trở nên khó khăn.

Tiếp xúc với rung động liên tục có thể dẫn đến hỏng máy đo.

Như bạn có thể thấy, có một số yếu tố mà các nhà khoa học chân không cần xem xét để đảm bảo máy đo chân không của họ hoạt động chính xác.